コロラド大学ボルダー校の研究者たちは、液晶を用いて可視的な時間結晶を生成するという、物性物理学における画期的な進歩を遂げました。この革新的なアプローチにより、従来必要とされていた複雑な量子システムとは異なり、標準的な実験室条件下での時間結晶の直接的な観測が可能になりました。この研究成果は、「粒子様のトポロジカルソリトンからの時空間結晶」と題され、2025年9月4日に『ネイチャー・マテリアルズ』誌に発表されました。
時間結晶とは、エネルギー入力なしに時間的な周期運動を示す物質のユニークな相であり、平衡に関する従来の概念に挑戦するものです。空間的な結晶が空間に繰り返しパターンを持つ一方で、時間結晶は時間に基づいた動的な秩序を維持します。以前の研究が量子システムに焦点を当てていたのに対し、今回の研究は液晶を用いた時間結晶の観測の実現可能性を示しています。
大学院生の趙漢清（ハンチン・ヂャオ）氏とイヴァン・スマリウク教授が率いる研究チームは、ガラスセルに閉じ込められた棒状の液晶分子を利用しました。これらの分子に特定の光源を照射することで、時間とともに変化する構造に似た持続的な運動パターンを誘発しました。これらのパターンは、外部からのエネルギー入力なしに数時間にわたって安定しており、時間結晶相の堅牢性を示しています。
この現象において重要な役割を果たしたのは、「キンク」と呼ばれる分子配置の局所的な歪みです。光照射下で、ガラスをコーティングする色素分子が液晶に機械的な力を及ぼし、これらのキンクを形成、移動、相互作用させました。この粒子様挙動により、液晶はまるでダンスホールでパートナーが絶えず別れ、再び組み合わさるかのような、緻密に振り付けられたシーケンスを示すようになりました。
この進歩は、超安全な認証手段や高度なデータストレージ技術など、様々な分野での応用への扉を開きます。時間結晶を直接、通常の顕微鏡で観察できる能力は、実験装置を簡素化し、この現象を実用的な技術に統合するための道を開きます。
この研究の着想は、ノーベル賞受賞者であるフランク・ウィルチェック氏が2012年に提唱した、時間結晶の存在を示唆する先見的な提案に遡ります。ウィルチェック氏は、空間に周期的なパターンを持つ空間結晶とは異なり、時間結晶はその構成粒子がエネルギー消費なしに永続的に振動する、時間における周期性を持つと提唱しました。2021年には、GoogleのSycamore量子プロセッサを用いた研究チームが、繰り返しレーザー誘起される変動を通じて時間結晶的特徴を示す原子ネットワークを作成しました。CUボルダーのグループの革新性は、古典的な液晶を活用することで、直接観測を可能にし、実験装置を大幅に簡素化した点にあります。これは、捉えどころのない時間結晶の約束を、抽象的な量子現象から実用的で触れることのできる技術へと移行させる重要な節目となります。
趙氏とスマリウク氏が考案した実験セットアップでは、液晶溶液を、光に動的に応答する特定の色素分子でコーティングされた2枚のガラス板の間に挟みました。照明を当てると、これらの色素は分子配向を変化させ、液晶マトリックスに物理的な制約を与え、それが前述のキンクの自発的な出現を引き起こします。技術的な観点からは、これらのトポロジカルソリトン—液晶場内の安定した、結び目のような配置—は、その相互作用が集団的挙動を生み出す、離散的で準粒子的な実体として機能します。この粒子様のアプローチにより、古典物理学に基づいた複雑な時間的順序の直感的な理解が可能になり、これまで困難であった量子時間結晶と巨視的な観測可能な効果との間のギャップが埋められます。
このような時間結晶の潜在的な応用範囲は広範かつ多様です。例えば、これらの材料を通貨に組み込むことで、偽造防止技術に革命をもたらす可能性があります。「時間透かし」と呼ばれる光活性化された時間進化パターンは、従来の透かしやホログラムとは異なり、複製が極めて困難です。さらに、これらの時間結晶を複数層重ねることで、複雑な情報ストレージソリューションにつながり、膨大なデータ容量を可能にするかもしれません。スマリウク氏が指摘するように、この技術の可能性は広範であり、様々な分野にわたる応用が期待されています。この可視的な時間結晶の発見は、エキサイティングな旅の始まりを告げるものです。研究者たちが制御メカニズムを洗練させ、新しい材料を探求し、根本的なメカニズムをさらに深く掘り下げるにつれて、科学界は、時間パターンが今日の空間構造と同様に操作可能で技術に不可欠となる時代を予期しています。趙氏とスマリウク氏は、日本の広島大学に本部を置く、結び目のあるキラルメタマターとの持続可能性のための国際研究所（WPI-SKCM2）にも所属しており、この共同作業は、最先端研究のますますグローバル化する性質を例証しています。